變壓器常見故障及其主保護研究

趙武波

朔州職業(yè)技術學院，山西 朔州 036000

0 引言

變壓器在電力系統(tǒng)中起著至關重要的作用。變壓器的容量通常是發(fā)電機的9倍以上。變壓器主要結合電磁感應機理傳遞電參量以及電能等的設備，其主要應用機理為交換交流變壓、交流變流和變化阻抗，以便合理輸送、分配和使用電能。

1 變壓器常見故障類型

作為典型的靜止電氣設備形式，變壓器需要長期運行，停電的可能性較小，而且變壓器絕大部分均安裝在戶外，受外界環(huán)境、電力負荷短路問題等因素的干擾，任意一種潛在的不合規(guī)的運行機制及問題，均會對整個系統(tǒng)的安全問題造成嚴重影響。

典型的變壓器故障包含油箱內部故障以及油箱外部故障兩類。油箱內部故障則表示不同繞組的相間短路、繞組匝間短路、中性點直接接地系統(tǒng)側繞組的單向接地短路等。相比外部故障形式，內部故障的危險性更高，故障點出現(xiàn)短路情況下，溫度將立即攀升，不僅會對繞組絕緣特性和鐵心造成影響，而且會進一步加劇絕緣物質、變壓器油等的影響，甚至出現(xiàn)油箱爆炸等情況[1]。

油箱外部故障形式則涵蓋了變壓器繞組導線內短路、引出線和套管之間的相間短路、接地短路、閃絡、破碎導致的解體短路等問題。

變壓器非常規(guī)工作情況下的故障形式包含外部接地短路導致的電壓攀升、電流過大、負荷過高，油箱中存在油面降低，冷卻系統(tǒng)故障導致的溫升情況，等等。

2 變壓器主保護形式

變壓器保護主要指變壓器出現(xiàn)此類故障以及非常規(guī)運行工況下，保護可以切實規(guī)避斷路器跳閘繼而有效去除故障、產生信號告知運行成員去除非常規(guī)的運行故障。

2.1 瓦斯保護

在變壓器內部存在故障的情況下，短路電流會進一步提升變壓器的油溫，使油的體積極具擴張，甚至存在沸騰問題，隨著油內空氣排出繼而產生大量的上升氣泡。如果故障位置存在電弧，那么變壓器油和絕緣材料會進一步裂解形成諸多的氣體，從箱體流至上端油枕，故障越嚴重，則出現(xiàn)的氣體越多，流至油枕的氣流速率也更快，甚至氣流內帶有許多細微且滾燙的變壓器油成分。結合這些氣體完成的保護即為氣體保護，也稱為瓦斯保護。

瓦斯保護典型的故障形式即漏油問題、匝數(shù)不多的短路問題、鐵心損壞、線圈短路、絕緣惡化、油面降低等。這些故障發(fā)生時往往差動保護等其他保護均不能動作，而瓦斯保護能夠觸發(fā)。因此，該保護為典型的設備內部故障最為有效的保護形式。瓦斯保護核心圍繞瓦斯繼電器展開，是典型的氣體繼電器，以及氣體保護的核心組件，安置于油箱與油枕的連接位置，由此油箱中的氣體需經過瓦斯繼電器才可以流至油枕。

（1）瓦斯繼電器的動作方式。在變壓器正常運行狀態(tài)下，瓦斯繼電器中涵蓋了上下開口的油杯，上油杯搭載了一對觸點和信號模塊連通，而下油杯也搭載了一對觸點和斷路器聯(lián)通，兩個油杯因為平衡錘影響而升高，其附著的兩個觸點也為斷開形式。

如果變壓器出現(xiàn)輕微故障，將導致的氣體逐步攀升，侵入瓦斯繼電器中，自上而下去除其中的油，使油位降低，上油杯因為殘余油力矩高于轉軸的另一側平衡錘的力矩而下降。在此情況下，上油杯磁鐵挨著觸點，其雙桿簧觸電接近連通信號電路，出現(xiàn)燈光參量等，告示工作人員開展檢修，即輕瓦斯動作告警。

如果變壓器油箱中出現(xiàn)較為嚴重的故障問題，包括相間短路、鐵心起火等，將會產生較多的氣體，由此帶著油流自變壓器油箱結合相關管道侵入油枕內。在油氣混合體入侵瓦斯繼電器期間，會對擋板產生影響，擋板由于彈簧的作用力而倒下，導致安置于擋板中的磁鐵和雙桿簧觸點接近，下油杯觸點連通跳閘電路。命令斷路器跳閘切斷電源達到保護變壓器的作用，這被稱為重瓦斯動作[2]。

如果油箱存在漏油問題，可能導致繼電器容器中的油流盡。先是繼電器上油杯降低，上觸點導通，出現(xiàn)音響以及燈光告警，隨后下油杯降低，下觸點導通跳閘鏈路，命令斷路器跳閘，達到保護變壓器的作用，同時提醒運維人員處理故障。

（2）瓦斯保護動作后的故障分析。瓦斯保護動作被激活后，箱體內產生的氣體會積聚在瓦斯繼電器中，能夠結合氣體的特性判斷故障。氣體故障分析表如表1所示。

表1 氣體故障分析表

2.2 差動保護

瓦斯保護、差動保護以及電流速斷保護等為典型的主保護形式，而后備保護則涵蓋了過流形式、零序保護等。在實際中過電流保護動作不夠迅速且具有一定的時限；電流速斷保護雖然動作迅速，但是動作整定電流比較大不適用于輕微內部故障。因此，6.3 MVA及以上的廠用電和10 MVA及以上的廠用備用電而言，需要搭載差動保護。

（1）差動保護的原理。該保護的核心功能為反饋設備的繞組、引出線、導管和其彼此的短路問題。差動保護是根據對比被保護設備各端電流對象為以及數(shù)值的機理形成[3]。變壓器差動保護原理如圖1所示。圖1反映了雙繞組的設備差動保護機理，結合循環(huán)電流機理，設備兩邊依次搭接了電流互裝置，依據圖片內極性聯(lián)系予以搭接。

圖1 變壓器差動保護原理圖

普通運行以及外界存在問題情況下，經過差動繼電器內的電流和兩邊流互的二次電流差值，只需要適度的配比甄選兩邊的流互變化就能夠促使此類情形下經過繼電器電流為零，則，該情況下通過變壓器電流和自變壓器流出的結果基本一致，不觸發(fā)差動繼電器。

當變壓器內部發(fā)生故障時，其兩端的電流不平衡產生差動電流，即，此時差動繼電器動作跳開斷路器切斷電源。

可以看出，流過差動繼電器的不恒定電路隨機對繼電器造成影響，電路越不穩(wěn)定，則繼電器工作電流越高，當電流的不穩(wěn)定情況達到某一閾值時，則會對其靈敏性產生影響。因此，有必要研究不平衡電流出現(xiàn)的具體誘因和降低辦法。

（2）不平衡電流產生的原因。第一，變壓器正常運行情況下產生不平衡電流。一是電力系統(tǒng)中的變壓器由于結構、接線等原因會造成其兩側電流角度相差30°，則變壓器兩邊的電流互感器兩側對應的二次電流也達到30°，繼而出現(xiàn)不穩(wěn)定電流；二是變壓器正常運行條件下進入差動繼電器的電流為零，訴求兩邊的TA變比結果和變壓器變比一致，但是具體情況則為TA于制造方面的規(guī)范性，其變比通常為接近同時較大的標準，從而產生不平衡電流。第二，變壓器暫態(tài)情況下產生不平衡電流。差動保護主要為一次系統(tǒng)短路暫態(tài)期間出現(xiàn)跳閘而發(fā)出指令，與TA一次短路暫態(tài)期間，電流帶有非周期參量，其時間變化較小，難以變化值二次側，繼而變成TA勵磁電流，促使鐵心飽和，疊加非周期參量后，鐵心進一步過飽和，導致TA低壓電流偏差進一步擴大，不恒定電流隨機更高[4]。

（3）減小不平衡電流的措施。差動保護鏈路內的不穩(wěn)定電流會對保護的可靠性、靈敏性等產生干擾，降低這一不平衡性的主要措施如下。

第一，減小正常運行情況下的不平衡電流。變壓器各側的TA盡量選用同樣型號、特性的產品，基于相位補償策略連接，電力系統(tǒng)內變壓器大多為Y，d11接線方法，容易出現(xiàn)兩側的TA二次電流方向相差30°，為此，可以將變壓器星形一段的TA改為三角形形式，而另外一端則改為星形形式，從而彌補30°的相位差。

第二，減小暫態(tài)情況下的不平衡電流。引入兼具制動特質的差動繼電器和間斷角機理的差動繼電器可以降低暫態(tài)期間的非周期參量，繼而降低不平衡的電流[5]。

3 結束語

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對變壓器保護的研究逐漸受到關注。變壓器保護樣式較多，文章主要介紹了瓦斯保護和差動保護兩種主保護，而一個完整的保護系統(tǒng)還應包括后備保護、零序保護、電流保護等。后續(xù)需研發(fā)適應情況更好的變壓器保護模塊，以進一步提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。